YR-GFD模糊PID調(diào)節(jié)器在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用

張俊平

（天津華景化工新技術(shù)開發(fā)有限公司，天津 300400）

近年來，PID調(diào)節(jié)儀以其功能強大、可靠性高、集成度高、功耗低、體積小、性價比高等優(yōu)點在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。工業(yè)過程控制領(lǐng)域仍有90%的回路在應(yīng)用PID控制策略。對于生產(chǎn)裝置的溫度、液位、流量、壓力等工藝變量常常要求維持在工藝指標(biāo)定值上，或按一定的規(guī)律變化，以滿足生產(chǎn)工藝的要求。PID控制器是根據(jù)PID控制原理對整個控制系統(tǒng)進(jìn)行偏差調(diào)節(jié)，從而使被控變量的實際值與工藝要求的預(yù)定值一致。不同的控制規(guī)律適用于不同的生產(chǎn)過程，必須合理選擇相應(yīng)的控制規(guī)律，否則PID控制器將達(dá)不到預(yù)期的控制效果。此PID調(diào)節(jié)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為涉及控制理論、系統(tǒng)辨識、信號處理和概率統(tǒng)計等多門學(xué)科的交叉綜合技術(shù)，通常被稱為控制回路的性能監(jiān)控與評估、控制器的性能監(jiān)控與評估、性能評估等。正是這些優(yōu)勢，使得PID控制成功控制多種生產(chǎn)裝置，且控制效果極為理想。

1 化工生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀及控制的常規(guī)模式

化工生產(chǎn)工藝控制中，目前以DCS或PLC控制較多，但因其價格較為昂貴，在大型生產(chǎn)與工藝的集成控制中，應(yīng)用極為廣泛，從自動化控制系統(tǒng)問世以來，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于工業(yè)、國防、通訊、家庭生活等各個領(lǐng)域，它具有集成度高、功能強等特點，適用于當(dāng)前社會生產(chǎn)過程中要求越來越高及復(fù)雜的生產(chǎn)場所。但是，對于一些小型企業(yè)及簡單的控制回路，使用傳統(tǒng)模擬測量及PID調(diào)節(jié)器控制也是可取的。將現(xiàn)有簡單控制改造為PID控制促進(jìn)其數(shù)字化、智能化、多功能化是一條快捷且適宜的簡單工業(yè)化控制模式。通過采用PID控制的相關(guān)測量，同時兼具運算、線性化、零漂處理、誤差修正、監(jiān)控于一體，使得PID控制集中體現(xiàn)了智能化、數(shù)字化在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域的重要作用。

2 YR-GFD系列模糊PID調(diào)節(jié)器的特點

YR－GFD系列模糊 PID調(diào)節(jié)器采用模糊 PID控制算法，傻瓜式操作，0.3%測量精度、可支持33種信號輸入功能，適用溫度、壓力、流量、液位、濕度等工業(yè)過程量的監(jiān)測，并配合各種執(zhí)行器對電加熱設(shè)備和電磁、電動調(diào)節(jié)閥進(jìn)行PID調(diào)節(jié)和控制。支持2路報警功能，支持1路控制輸出或支持采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS協(xié)議的 RS485通訊接口，1路DC24V饋電，輸入端、輸出端、電源端光電隔離，100～240 V AC/DC或20～29 V AC/DC開關(guān)電源供電，標(biāo)準(zhǔn)卡入式安裝，工作環(huán)境溫度在0～50℃；且相對濕度5%～85%RH無凝結(jié)。YR－GFD系列模糊PID調(diào)節(jié)器接線圖見圖1。

圖1 YR－GFD系列模糊PID調(diào)節(jié)器接線圖

3 模糊PID調(diào)節(jié)器的設(shè)置與使用

模糊PID調(diào)節(jié)器中的“PID”是以其3種糾正算法而命名的。這3種算法都是用加法調(diào)整被控制模擬量數(shù)值。而實際上這些加法運算大部分變成了減法運算是因為算法的不同。盡管不同類型的控制器因其結(jié)構(gòu)、原理各不相同，但是基本控制規(guī)律只有3個：比例（P）控制、積分（I）控制和微分（D）控制。這幾種控制規(guī)律可以單獨使用也可以因使用場合不同而進(jìn)行組合使用。如比例（P）控制、比例－積分（PI）控制或比例－積分－微分（PID）控制等等。

YR－GFD系列模糊PID調(diào)節(jié)器在工作狀態(tài)下，按壓鍵PV顯示LOC，SV顯示參數(shù)字符：按增加、減少鍵來進(jìn)行設(shè)置。系統(tǒng)PID參數(shù)具備自整定功能：當(dāng)系統(tǒng)調(diào)試時，可利用自整定功能，極快地找到系統(tǒng)最佳的PID參數(shù)，提高調(diào)節(jié)品質(zhì)。在設(shè)置好控制目標(biāo)值SV后，在儀表測量狀態(tài)下，進(jìn)入一級參數(shù)設(shè)定，設(shè)定自動模式AUTO=“On”，按鍵確認(rèn)后退至測量狀態(tài)，儀表開始自整定。如圖2，PID參數(shù)和自整定對比圖所示的AUT0啟動時，SV顯示 AUTO閃爍，在測量PV值到達(dá)SV值設(shè)定值后，將自動造成對系統(tǒng)二、三次擾動。根據(jù)超振蕩的大小和恢復(fù)的周期，自動算出系統(tǒng)的PID參數(shù)。AUTO整定完成，SV顯示目標(biāo)值，系統(tǒng)即可正常使用。一般對于正常系統(tǒng)自整定只需整定一次或兩次，自整定時如遇斷電或復(fù)位，儀表將以自整定前的設(shè)定值為準(zhǔn)進(jìn)行控制。自整定時的其他操作被禁止。自整定完畢后，可根據(jù)現(xiàn)場實際情況手動修改自整定后的參數(shù)設(shè)定值，以達(dá)到理想控制效果。當(dāng)手動修改完設(shè)定值，轉(zhuǎn)到自動狀態(tài)時，長按鍵儀表復(fù)位后才能實現(xiàn)PID跟蹤效果。系統(tǒng)PID參數(shù)和自整定對比圖見圖2。

圖2 系統(tǒng)PID參數(shù)和自整定

4 YR-GFD系列模糊PID調(diào)節(jié)器的溫度控制應(yīng)用

以氯堿行業(yè)氫處理崗位操作的應(yīng)用舉例，從電解工段來的80～85℃的濕氫氣進(jìn)入氫氣洗滌塔下部與塔上部噴淋下來的冷卻水逆流接觸洗滌冷卻至≤40℃。（氫氣洗滌塔的噴淋冷卻水是由循環(huán)水池的循環(huán)水泵供出，經(jīng)冷卻器冷卻后，進(jìn)入氫氣洗滌塔上部，噴淋循環(huán)使用，多余的水打去離子膜）。從塔頂出來的氫氣進(jìn)入氫氣壓縮機加壓至0.06～0.12 MPa后。進(jìn)入冷卻器冷卻到≤18℃，經(jīng)氫氣水霧分離器除水后，輸送到用氫部門。

在上述工藝控制中，氫氣壓縮機加壓至0.06～0.12 MPa、冷卻器冷卻到≤18℃、冷卻水逆流接觸洗滌冷卻至≤40℃是3個重要的控制參數(shù)，由于遠(yuǎn)程控制中現(xiàn)場操作人員無法更快捷的了解生產(chǎn)情況，故在現(xiàn)場設(shè)置了YR－GFD模糊PID調(diào)節(jié)器，在儀表基礎(chǔ)設(shè)置完成后，投入使用情況良好。

5 存在的常規(guī)問題及解決方式

上述工藝控制中氫氣壓縮機壓力參數(shù)、冷卻器冷卻溫度、冷卻水逆流接觸洗滌溫度是3個重要的控制參數(shù)，當(dāng)參數(shù)控制偏差較大，此時可依據(jù)實際經(jīng)驗，對PID表中P值進(jìn)行調(diào)整，接著可對積分與微分進(jìn)行微調(diào)。積分控制存在著控制不及時的缺點，雖然能消除余差，但因為積分輸出的累積是漸進(jìn)的，而不是適時跟蹤，其產(chǎn)生的控制作用總是落后于偏差的變化，不能及時有效地克服干擾的影響，因此有時難以使控制系統(tǒng)穩(wěn)定下來。所以，實用中一般不單獨使用積分控制，而是和比例控制作用結(jié)合起來，構(gòu)成比例積分控制。有經(jīng)驗的操作人員，即可根據(jù)偏差的大小來改變閥門的開度（比例作用），又可根據(jù)偏差變化的速度大小來預(yù)計將要出現(xiàn)的情況，提前進(jìn)行過量控制，進(jìn)行預(yù)控控制或“超前”控制作用的微分控制。微分控制器輸出的大小取決于輸入偏差變化的速度，從而可以在控制中取其二者之長，互相彌補，既有比例控制作用的迅速及時，又有積分控制作用消除余差的能力。因此，比例積分控制可以實現(xiàn)較為理想的過程控制。

另外，在PID調(diào)節(jié)儀的基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置中，CUT值測量小信號切除，此功能僅對電壓、電流開方信號有效，公式為輸入信號（輸入信號下限+輸入信號上限-輸入信號下限）X設(shè)定百分比例，從而可以顯示測量量程下限。

還有，對于PID調(diào)節(jié)儀的基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置中，工藝參數(shù)的調(diào)整與控制作用方向極為關(guān)鍵。當(dāng)在MODE設(shè)置中，PID使用信號MODE=0，PID作用方式為正作用，MODE=1，PID作用方式為反作用。當(dāng)此作用方向設(shè)置為反，會對生產(chǎn)產(chǎn)生非常重大的影響，因此要精確設(shè)置。

經(jīng)過一段時間的運行，整體上提高了現(xiàn)場控制能力，實現(xiàn)了智能化生產(chǎn)。在特殊情況下，如果需要人工進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制時，可以通過手動控制模式進(jìn)行操作。這樣，實現(xiàn)了智能化與手動操作相結(jié)合，優(yōu)化了生產(chǎn)的工藝控制。

6 結(jié)語

這些簡單儀表的使用為穩(wěn)定生產(chǎn)、節(jié)能降耗取得更加高效的發(fā)展起到推動作用。當(dāng)前，信息技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，為氯堿企業(yè)提供了良好的開放交流平臺，從中可以吸取不同行業(yè)、不同企業(yè)的先進(jìn)技術(shù)，提高操作技能，確保生產(chǎn)更高效、穩(wěn)定運行。